一种光学偏振器及其非对称传输信号的调节方法与流程

本发明属于光学器件技术领域，具体涉及一种光学偏振器及其非对称传输信号的调节方法。

背景技术

非对称传输(asymmetrictransmission，at)是指传输系统对沿不同传输方向入射的电磁波表现出不同的转化性能。如图1(a)所示，对于一个极化转换非对称传输系统a来说，从系统a正面入射的左旋光(leftcircularlypolarized，lcp)经过系统a后，接收到的右旋光(rightcircularlypolarized，rcp)的透射率为从系统a背面入射的左旋光经过系统a后接收到的右旋光的透射率为其中箭头方向表示从传输系统的正面或背面入射，下标“-”表示入射光为左旋光，“+”表示出射光为右旋光。一个偏振态光的总透射率为：

则对于系统a极化转换的非对称传输可以表示为：

又通过洛伦兹变化：

得到：

上述表达式表明沿圆偏振光入射-z方向激发的非对称传输的值和在+z方向激发的非对称传输的值相反。为了清楚和明确的表述，在本发明中我们规定圆偏振光沿-z方向入射。

其表示的物理意义如图1(b)所示，从正面入射到系统a的左旋光，经过系统a后转换为的右旋光，与从正面入射到系统a的右旋光，经过系统a后转换为的左旋的转换率是不同的。对于从背面入射时非对称传输的值是相同的。

传统实现非对称传输的系统通常利用的是互易材料或器件制成的，电磁波同样具有互易性，即电磁波的传播路径的可逆性。对于非对称传输来说，其包括很多内容，如透射强度、旋光度、以及极化转换等。目前光学偏振器结构都比较复杂，而且固定结构只能产生固定非对称传输模式，通常要改变其非对称传输信号主要通过改变该结构的几何参数来实现，但是重新设计和制作新的结构制作周期长，劳动成本高。

技术实现要素：

为了解决现有技术中存在的光学偏振器结构复杂，固定结构只能产生固定非对称传输模式的问题，本申请实施例提供了一种光学偏振器及其非对称传输信号的调节方法，本申请实施例光学偏振器通过控制调节光学偏振器所处环境温度即可改变本体结构的透射特性，从而实现光学偏振器非对称传输信号的调节。结构简单，制备和使用方法简单方便，易于操作。

本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

一种光学偏振器，所述光学偏振器由基底层和结构本体组成；所述结构本体连接于所述基底层上；所述结构本体由多个结构相同的周期单元按矩形周期阵列连接而成；所述每个周期单元中包含有一个“l”形结构；所述“l”形结构包括一贵金属层和一调控层；所述贵金属层与调控层均为“l”形；所述调控层连接于所述贵金属层的表面或者嵌于所述贵金属层内部构成所述“l”形结构。

进一步地，所述调控层由vo2材料制成；所述贵金属层和调控层长度和宽度均相等，厚度相等或者不等。

进一步地，所述贵金属层为“l”形；所述调控层为“z”字形；所述调控层嵌于所述贵金属层内部构成所述“l”形结构；所述调控层包括首尾依次垂直连接的第一矩形条、第二矩形条和第三矩形条；所述第三矩形条与所述第一矩形条和第二矩形条所在平面垂直。

进一步地，所述调控层第一矩形条和第三矩形条分别连接于所述贵金属层的上下表面，所述第二矩形条嵌于所述贵金属层内部。

进一步地，所述第一矩形条连接于所述贵金属层的表面，所述第二矩形条和第三矩形条嵌于所述贵金属层内部。

进一步地，一种光学偏振器的非对称传输信号的调节方法，包括以下步骤：

将所述光学偏振器置于一温度可调的密闭环境中，通过调节环境温度t＜68℃或者t＞68℃，所述调控层vo2在t＜68℃或者t＞68℃具有不同的相态，产生不同的透射特性，从而得到不同的非对称传输特性；通过调节所述光学偏振器所处环境温度即可达到调节所述光学偏振器非对称传输信号的目的。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

1.本申请实施例光学偏振器为“l”形结构，结构简单，对不同圆偏振光产生不同的极化转换率，可以产生较大的手性，本申请实施例光学偏振器设计新颖，结构简单，易于制备，解决了目前大多光学偏振器结构复杂，制备工艺复杂的问题。

2.本申请实施例光学偏振器可以调节偏振光极化转换的相对大小，通过改变环境温度t，使vo2的晶格结构发生四方金红石结构(t＞68℃)和单斜结构(t＜68℃)的转变，两种温度下的vo2相态不同，产生不同的光学透射特性，从而在不改变原结构的前提下，实现通过调节光学偏振器所处环境温度t实现对本申请实施例“l”形结构透射特性的调节，从而达到改变本申请实施例光学偏振器的非对称传输模式的目的，解决了目前固定结构非对称传输信号无法调节的问题，本申请实施例光学偏振器不仅对今后设计光学偏振器具有一定的设计指导作用，更为其他光学器件的研究提供了一种新的研究方向和思路。

3.本申请实施例光学偏振器结构简单，非对称传输信号调节方便快捷，不需要改变结构本身，只需要根据实际需要调节环境温度，即可实现对本申请实施例对于不同圆偏振光透射特性的调节，结构简单，制备工艺和调节方法简单方便，易于操作。

4.本申请实施例光学偏振器调控层使用相变材料vo2制成，vo2的相变温度大约为68℃，与室温相差不大，不会影响该光学偏振器的其他组成部件的几何及光学特性，性能稳定，不易变形损坏，使用寿命长。

5.本申请实施例光学偏振器中vo2在达到相变温度后，相变时间非常短，在ns级别，可以极大的提高本申请实施例光学偏振器非对称传输信号的调控灵敏度。

6.本申请实施例光学偏振器中vo2的相变过程是可逆的，并可多次重复，可广泛应用在温控装置，光电开关等方面，使用和制备成本低，节省资源避免资源浪费。

附图说明

图1是本申请实施例极化转换的非对称传输原理示意图；

图2是本申请实施例光学偏振器结构本体的立体结构图；

图3是本申请实施例1光学偏振器“l”形结构结构示意图a；

图4是本申请实施例1光学偏振器“l”形结构结构示意图b；

图5是本申请实施例2光学偏振器“l”形结构结构示意图c；

图6是本申请实施例2光学偏振器“l”形结构结构示意图d；

图7是本申请实施例1光学偏振器“l”形结构调控层2连接于贵金属层表面时，在高温和低温时的极化转化光谱图；

图8是本申请实施例1光学偏振器“l”形结构调控层2嵌于贵金属层内部时，在高温和低温时的极化转化光谱图；

图9是本申请实施例1光学偏振器在常温下的电流分布图；

图10是本申请实施例1光学偏振器在高温下的电流分布图。

图中：1、贵金属层；2、调控层；21、第一矩形条；22、第二矩形条；23、第三矩形条。

具体实施方式

本申请实施例提供了一种光学偏振器及其非对称传输信号的调节方法，本申请实施例光学偏振器通过控制调节光学偏振器所处环境温度改变本体结构的透射特性，从而实现光学偏振器非对称传输信号的调节。解决了现有技术中存在的光学偏振器结构复杂，固定结构只能产生固定非对称传输模式的问题，本申请实施例光学偏振器结构简单，制备和使用方法简单方便，易于操作。

下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1：

如图2所示为本实施例一种光学偏振器，光学偏振器由基底层和结构本体组成，结构本体连接于基底层上，结构本体由多个结构相同的周期单元按矩形周期阵列连接而成，每个周期单元中包含有一个“l”形结构。

具体而言：

本实施例基底层优选为玻璃基底。本实施例光学偏振器结构本体为“l”形结构，结构简单，可以产生较大的手性，如图8和图9所示，对不同圆偏振光产生不同的极化转换率。本实施例光学偏振器设计新颖，结构简单，易于制备，采用磁控溅射法即可制备，解决了目前光学偏振器结构复杂，制备工艺复杂的问题。

本申请实施例光学偏振器为“l”形结构按矩形周期排列在基底层上构成，结构简单，在后期进行非对称传输信号调节时不需要改变光学偏振器结构本身，只需要根据实际需要调节环境温度，即可实现对本申请实施例对于不同圆偏振光透射的调节，结构简单，制备工艺和调节方法简单方便，易于操作。

如图3和图4所示为本实施例光学偏振器“l”形结构，“l”形结构包括一贵金属层1和一调控层2。贵金属层1与调控层2均为“l”形，贵金属层1和调控层2长度和宽度均相等，厚度相等或者不等。贵金属层1由任一贵金属材料制成，本实施例优选为金材料。调控层2为任一相变材料制成，本实施例优选为vo2材料制成。图3为调控层2连接于贵金属层1的表面的“l”形结构示意图，图4为调控层2嵌于贵金属层1内部构成“l”形结构示意图。

具体而言：

本实施例光学偏振器调节层使用相变材料vo2制成，vo2的相变温度大约为68℃，与室温相差不大，不会影响该光学偏振器的其他组成部件的几何及光学特性，性能稳定，不易变形损坏，使用寿命长。

本实施例光学偏振器中vo2在达到相变温度后，相变时间非常短，在ns级别，可以极大的提高本申请实施例光学偏振器非对称传输信号的调控灵敏度。

本实施例光学偏振器中vo2的相变变化是可逆的，并可多次重复，可广泛应用在温控装置，光电开关等方面，使用和制备成本低，节省资源避免资源浪费。

本实施例中vo2可以通过改变光学偏振器所处环境温度实现相变，使vo2的晶格结构可以由四方金红石结构(t＞68℃)变为单斜结构(t＜68℃)或反之，从而实现调控的光学特性的变化的目的。

本实施例光学偏振器为双层结构，可以产生较大手性，对不同圆偏振光产生不同的极化转换率，每个周期单元中贵金属层1和调控层2为一体结构，制备工艺简单快捷，节省人力物力，在后期使用时只需要根据实际需要进行环境温度的改变即可实现对相变材料晶格结构的变化，从而实现对极化转化模式和位置的调节，制备工艺和调节方法简单方便，易于操作。

实施例2：

基于实施例1公开的一种光学偏振器，光学偏振器还可以为以下结构：基于实施例1所公开的一种光学偏振器，“l”形结构与实施例1不同之处在于：如图5和图6所示，贵金属层1为“l”形，调控层2为“z”字形，调控层2嵌于贵金属层1内部构成“l”形结构。

具体而言：

调控层2包括首尾依次垂直连接的第一矩形条21、第二矩形条22和第三矩形条23；第三矩形条23与第一矩形条21和第二矩形条22所在平面垂直。

如图5所示为调控层2第一矩形条21和第三矩形条23分别连接于贵金属层1的上下表面，第二矩形条22嵌于贵金属层1内部的“l”形结构。

如图6所示为第一矩形条21连接于贵金属层1的表面，第二矩形条22和第三矩形条23嵌于贵金属层1内部的“l”形结构。

本实施例光学偏振器为“l”形结构，结构简单，可以产生较大的手性，如图8和图9所示，对不同圆偏振光可以产生不同的极化转换率。本申请实施例光学偏振器设计新颖，结构简单，易于制备，解决了目前大多光学偏振器结构复杂，制备工艺复杂的问题。

本申请实施例光学偏振器为“l”形结构周期排列在基底层上构成，结构简单，在后期进行非对称传输信号调节时不需要改变结构本身，只需要根据实际需要调节环境温度，即可实现对本申请实施例对于不同圆偏振光透射的调节，结构简单，制备工艺和调节方法简单方便，易于操作。

实施例3：

基于实施例1公开的一种光学偏振器，本实施例公开了基于实施例1光学偏振器结构的极化转化光谱图，如图8和图9所示。基于实施例1的光学偏振器双层“l”形结构，通过使用三维有限元方法(fem)计算软件comsolmultiphysics进行计算模拟试验。用图形发生器按照实施例1“l”形结构设定具体设置参数如下：

“l”形结构的周期为px＝py＝700nm，“l”形结构的一条臂的长度与宽度为：l1＝550nm，w1＝250nm；另一条臂的长度与宽度为：l2＝600nm，w2＝150nm；贵金属层1厚度h1＝350nm，调控层2的厚度h2＝100nm。

如图7所示，调控层2和贵金属层1均为“l”形结构，调控层2连接于贵金属层1表面时，在高温和低温时的极化转化光谱图。

如图8所示，调控层2和贵金属层1均为“l”形结构，调控层2嵌于贵金属层1内，在高温和低温时的极化转化光谱图。

如图7所示，当常温环境时，本实施优选为温度t＝20℃，可以产生三个非对称传输模式，分别为：λ＝850nm，at＝3.1％；λ＝1050nm，at＝16.4％；λ＝1200nm，at＝9.5％；当高温环境时，本实施例优选为温度t＝68℃，转化光谱图中只有一个非对称传输模式：λ＝1050nm，at＝24.7％。

本实施例光学偏振器在高温状态和常温环境相比，非对称传输模式由三个变为一个，且非对称传输信号的大小明显增大。本实施例光学偏振器可以通过调节环境温度的变化实现非对称传输模式及信号大小的调节。

所以，本实施例光学偏振器可以在不改变结构本身的条件下，通过调节光学偏振器所处环境温度，改变调控层2的相态，实现对该结构中调控层2材料的性质转化，改变其透射特性来实现对本实施例光学偏振器非对称传输特性的调节，操作简单方便，为光学偏振器的设计提供了一种新的思路。

如图8所示，调控层2和贵金属层1均为“l”形结构，调控层2嵌于贵金属层1内，在高温和低温时的极化转化光谱图。

从图8中可以看到，在1000nm～2000nm波段内可以看到，该光学偏振器在室温20℃的环境中，at都相对较大；当达到相变温度以上，即升高光学偏振器所处环境温度至68℃以上时，在该波段内at都小于1％，几乎为零。差值最大处达到了8％。

本实施例中vo2可以通过改变环境温度实现相变，使vo2的晶格结构可以由四方金红石结构(高温)变为单斜结构(低温)或反之，从而实现调控的光学特性的变化。

所以，本实施例光学偏振器可以在不改变结构本身的条件下，通过调节光学偏振器所处环境温度，改变调控层2的相态，实现对该结构中调控层2材料的性质转化，改变其透射特性来实现对非对称传输特性的调节，操作简单方便，为光学偏振器的设计提供了一种新的思路。

实施例4：

基于实施例1公开的一种光学偏振器，本实施例公开了光学偏振器在不同温度下的电流分布图：

如图9所示，为实施例1调控层2连接于贵金属层1表面时，在环境温度t＝20℃，分别用lcp和rcp照射本实施例光学偏振器时三个非对称传输模式的电流分布图。其中t+-为lcp入射，接收rcp信号，t-+为rcp入射，接收lcp信号。常温时vo2没有发生相变，为单斜结构，

图9(a)、9(b)和9(c)为用lcp照射本实施例光学偏振器时，三个模式λ＝850nm、1050nm、1200nm时的电流分布图。图9(d)、9(e)和9(f)为用rcp照射本实施例光学偏振器时，三个模式λ＝850nm、1050nm、1200nm时的电流分布图。

图10为环境温度为68℃时本实施例光学偏振器的电流分布图，图10(a)为用lcp照射本实施例光学偏振器时的模式在λ＝1050nm时的电流分布图；图10(b)为用rcp照射本实施例光学偏振器时的模式在λ＝1050nm时的电流分布图。

从图9和图10我们可以得出，当环境温度为常温，t＝20℃时vo2与au的性质差距较大，电流不能很好的从贵金属层1连续到调控层2vo2产生多个较小的at信号。当温度升高到68℃，vo2发生相变，为四方金红石结构，此时vo2与au的性质差距不大，电流可以很好的从金属层连续到vo2薄膜层，从而产生一个较大的at信号。

实施例5：

本实施例公开了一种光学偏振器的非对称传输信号的调节方法，包括以下步骤：

将光学偏振器置于一温度可调的密闭环境中，通过调节环境温度t＜68℃或者t＞68℃，调控层2vo2在t＜68℃或者t＞68℃具有不同的相态，产生不同的透射特性，从而得到不同的非对称传输特性；通过调节光学偏振器所处环境温度即可达到调节光学偏振器非对称传输信号的目的。

具体而言：

环境温度t可通空气温度调节器，例如空调或者普通加热器或者制冷器进行加热或者冷却即可。

本实施例光学偏振器可以调节偏振光极化转换的相对大小，通过改变环境温度t，使vo2的晶格结构发生四方金红石结构(t＞68℃)和单斜结构(t＜68℃)的转变，两种温度下的vo2相态不同，具有不同的透射特性，从而在不改变原结构的前提下，实现通过调节光学偏振器所处环境温度t实现对本申请实施例“l”形结构透射特性的调节，从而达到改变本申请实施例光学偏振器的非对称传输模式的目的，解决了目前固定结构非对称传输信号无法调节的问题，本申请实施例光学偏振器不仅对今后设计光学偏振器具有一定的设计指导作用，更为其他光学器件的研究提供了一种新的研究方向和思路。

光学偏振器结构的制备工艺要求非常严苛，一种结构只能实现其特定的模式，无法在该结构的基础上做适当调整以实现不同模式的转化和调整，而只能通过重新设定所需结构参数，重新制备该结构来达到调节光学偏振器非对称传输信号的目的。本申请实施例光学偏振器不需要重新制备本体结构，通过调节光学偏振器所处环境温度，改变该本体结构调控层2的光学透射特性，达到调节非对称传输信号的目的。

特别的，在测定非对称传输特性信号时，在室温下，将该光学偏振器置于光谱仪样品腔中，控制腔室温度为室温，即20℃，开启光源与探测器，测得vo2没有发生相变时光学偏振器的at曲线。

在室温下，将光学偏振器置于光谱仪样品腔中，加热腔室温度至68℃，开启光源与探测器，测得vo2发生相变时光学偏振器的at曲线。

然后在高温下，冷却腔室温度至常温，将相变后的偏振器结构还原为初始状态，该结构的圆偏振光光学特性也恢复至之前的状态。

即可得到本申请实施例光学偏振器结构的常温和高温情况时的非对称传输转化光谱图。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。